3.2: Konstitutionelle Isomere von Alkanen

Organische Verbindungen derselben Molekülformel können unterschiedliche Strukturformeln haben, die als Konstitutionsisomere bezeichnet werden. Dieses Phänomen wird als Konstitutionsisomerie bezeichnet. Alkane mit vier oder mehr Kohlenstoffatomen, die mehrere Strukturen mit derselben Summenformel aufweisen, weisen daher eine Konstitutionsisomerie auf.

Dem linearen Isomer eines Alkans wird der Begriff „n“ vorangestellt; daher ist ein lineares Isomer von Pentan als n-Pentan bekannt. Abhängig von der Art der Verzweigung erhalten einige der verzweigten Isomere die Präfixe „iso“ und „neo“. Pentan hat beispielsweise zwei verzweigte Isomere, Isopentan und Neopentan. Isopentan hat eine gerade Kette mit vier Kohlenstoffatomen und einem einzigen Methylsubstituenten, während Neopentan eine gerade Kette mit drei Kohlenstoffatomen und zwei Methylgruppen als Substituenten hat.

Die Möglichkeit einer Verzweigung steigt mit der wachsenden Zahl von Kohlenstoffatomen in der Kette über das Homolog hinweg, was zu einem exponentiellen Anstieg der Zahl der Konstitutionsisomere führt. Beispielsweise weist das Alkan Hexan mit sechs Kohlenstoffatomen fünf Isomere auf, während sich die Anzahl der Isomere beim Alkan Decan mit zehn Kohlenstoffatomen auf 75 erhöht.

Trotz der gleichen Molekülformel weisen Isomere erhebliche Unterschiede in ihren physikalischen Eigenschaften auf, wie z. B. bei den Schmelzpunkten und Siedepunkten.

Alkane enthalten zwei Arten von Einfachbindungen: Kohlenstoff-Kohlenstoff und Kohlenstoff-Wasserstoff.

Einfache Alkane wie Methan, Ethan und Propan haben nur eine Möglichkeit, ihre Atome anzuordnen, was bedeutet, dass sie eine einzige Strukturformel haben.

Bei Alkanen mit vier oder mehr Kohlenstoffatomen können die Atome jedoch auf verschiedene Weise für dieselbe Summenformel angeordnet sein; sie können konstitutionelle Isomerie oder strukturelle Isomerie aufweisen.

Zum Beispiel hat das Alkan mit vier Kohlenstoffatomen, Butan, zwei Strukturisomere. Die geradkettige Form besteht aus vier Kohlenstoffatomen, die linear angeordnet sind.

Im Vergleich dazu hat die verzweigte Form eine Kette aus drei Kohlenstoffatomen, wobei der vierte Kohlenstoff als Seitenkette oder Zweig an den zweiten Kohlenstoff in der Kette gebunden ist.

Jedes Isomer von Butan besteht aus zehn Wasserstoffatomen, die an vier Kohlenstoffatome gebunden sind. Butan hat also zwei Strukturisomere mit der gleichen Summenformel.

Darüber hinaus unterscheiden sich die Isomere in ihren physikalischen Eigenschaften: Verzweigtes Butan hat einen Siedepunkt von -11,6 °C, während geradkettiges Butan bei -0,5 °C siedet.

Im Vergleich zu Butan, das nur ein verzweigtes Isomer hat, können sich höhere Alkane an jedem geeigneten Kohlenstoff verzweigen. Höhere Alkane können also viele unterschiedliche verzweigte Isomere haben, aber nur ein geradkettiges Isomer.

Zum Beispiel hat Pentan, C₅H₁₂, ein geradkettiges Isomer und zwei verzweigte Isomere. Das geradkettige Isomer, auch bekannt als n-Pentan, besteht aus allen fünf Kohlenstoffatomen in einer unverzweigten Kette.

Eines der verzweigten Isomere hat eine Kette von vier Kohlenstoffatomen, wobei sich der fünfte Kohlenstoff an der zweiten Stelle vom Kohlenstoff verzweigt. Dieses Isomer wird wegen der -CH(_{CH 3})_2-Gruppe am Ende der Kette als Iso-Pentan bezeichnet.

Das andere verzweigte Isomer hat eine Kette von drei Kohlenstoffatomen, wobei der vierte und fünfte Kohlenstoff vom zentralen Kohlenstoff abzweigen. Dieses Isomer wird aufgrund der terminalen -C(_{CH 3})_3-Gruppe als Neo-Pentan bezeichnet.